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17.3: Coração - Biologia


Lub Dub

Lub dub, lub dub, lub dub ... É assim que o som de um coração batendo é normalmente descrito. Em um coração normal e saudável, esses são os únicos dois sons que devem ser audíveis ao ouvir o coração por meio de um estetoscópio. Se um médico assistente ouvir algo diferente dos sons normais de lub, é um sinal de uma possível anormalidade cardíaca. O que faz com que o coração produza os sons lub dub característicos? Leia mais para descobrir.

o coração é um órgão muscular atrás do esterno (esterno), ligeiramente à esquerda do centro do tórax. A função do coração é bombear o sangue através dos vasos sanguíneos do sistema cardiovascular. O fluxo contínuo de sangue através do sistema é necessário para fornecer oxigênio e nutrientes a todas as células do corpo e para remover seus resíduos metabólicos.

Estrutura do Coração

O coração tem uma parede muscular espessa que consiste em várias camadas de tecido. Internamente, o coração é dividido em quatro câmaras através das quais o sangue flui. O sangue flui em apenas uma direção através das câmaras devido às válvulas cardíacas.

Parede do coração

Conforme mostrado na Figura ( PageIndex {2} ), a parede do coração é composta por três camadas, chamadas de endocárdio, miocárdio e pericárdio.

  • O endocárdio é a camada mais interna da parede do coração. É constituído principalmente por células epiteliais simples. Cobre as câmaras e válvulas do coração. Uma fina camada de tecido conjuntivo une o endocárdio ao miocárdio.
  • O miocárdio é a camada intermediária e mais espessa da parede do coração. Consiste no músculo cardíaco rodeado por uma estrutura de colágeno. Existem dois tipos de células do músculo cardíaco no miocárdio: células marcapasso, que têm a capacidade de se contrair facilmente; e células marcapasso, que conduzem impulsos elétricos que fazem com que os cardiomiócitos se contraiam. Cerca de 99 por cento das células do músculo cardíaco são cardiomiócitos e o 1 por cento restante são células marca-passo. O miocárdio é suprido com vasos sanguíneos e fibras nervosas por meio do pericárdio.
  • O epicárdio é a terceira camada que faz parte do pericárdio, uma bolsa protetora que envolve e protege o coração. O pericárdio consiste em duas membranas (pericárdio visceral denominado epicárdio e pericárdio parietal), entre as quais existe uma cavidade cheia de líquido. O fluido ajuda a amortecer o coração e também lubrifica sua superfície externa.

Câmaras de coração

Conforme mostrado na Figura ( PageIndex {3} ), as quatro câmaras do coração incluem duas câmaras superiores chamadas átrios (singular, átrio) e duas câmaras inferiores chamadas ventrículos. Os átrios também são chamados de câmaras receptoras porque o sangue que chega ao coração entra primeiro nessas duas câmaras. O átrio direito recebe sangue da parte superior e inferior do corpo através da veia cava superior e da veia cava inferior, respectivamente; e o átrio esquerdo recebe sangue dos pulmões pelas veias pulmonares. o ventrículos também são chamadas de câmaras de descarga porque o sangue que sai do coração passa por essas duas câmaras. O ventrículo direito descarrega sangue para os pulmões através da artéria pulmonar, e o ventrículo esquerdo descarrega sangue para o resto do corpo através da aorta. As quatro câmaras são separadas umas das outras por um tecido conjuntivo denso que consiste principalmente de colágeno.

Válvulas do coração

A figura ( PageIndex {3} ) também mostra a localização das quatro válvulas do coração. As válvulas cardíacas permitem que o sangue flua dos átrios para os ventrículos e dos ventrículos para a artéria pulmonar e aorta. As válvulas são construídas de forma que o sangue possa fluir por elas em apenas uma direção, evitando assim o refluxo do sangue. As quatro válvulas são:

  1. válvula tricúspide, que permite que o sangue flua do átrio direito para o ventrículo direito.
  2. a válvula mitral, que permite que o sangue flua do átrio esquerdo para o ventrículo esquerdo.
  3. válvula pulmonar, que permite que o sangue flua do ventrículo direito para a artéria pulmonar.
  4. a válvula aórtica, que permite que o sangue flua do ventrículo esquerdo para a aorta.

As válvulas tricúspide e mitral também são chamadas de válvulas atrioventriculares (ou AV) porque se encontram entre o átrio e o ventrículo. As válvulas pulmonar e aórtica também são chamadas de válvulas semilunares porque têm o formato de meias-luas.

Circulação coronariana

Os cardiomiócitos das paredes musculares do coração são células muito ativas porque são responsáveis ​​pelo batimento constante do coração. Essas células precisam de um suprimento contínuo de oxigênio e nutrientes. O dióxido de carbono e os produtos residuais que eles produzem também devem ser continuamente removidos. Os vasos sanguíneos que transportam sangue de e para as células do músculo cardíaco constituem a circulação coronária. Observe que os vasos sangüíneos da circulação coronária fornecem sangue aos tecidos do coração e são diferentes dos vasos sangüíneos que transportam sangue de e para as câmaras do coração como parte da circulação geral. Artérias coronárias fornecer sangue rico em oxigênio às células do músculo cardíaco. As veias coronárias removem o sangue desoxigenado das células do músculo cardíaco.

  • Existem duas artérias coronárias: uma artéria coronária direita que supre o lado direito do coração e uma artéria coronária esquerda que supre o lado esquerdo do coração. Essas artérias se ramificam repetidamente em artérias cada vez menores e, finalmente, em capilares, que trocam gases, nutrientes e produtos residuais com os cardiomiócitos.
  • Na parte posterior do coração, pequenas veias cardíacas drenam para veias maiores e, finalmente, para a grande veia cardíaca, que deságua no átrio direito. Na parte frontal do coração, pequenas veias cardíacas drenam diretamente para o átrio direito.

Circulação de sangue através do coração

A figura ( PageIndex {4} ) mostra como o sangue circula pelas câmaras do coração. O átrio direito coleta o sangue de duas grandes veias, a veia cava superior (da parte superior do corpo) e a veia cava inferior (da parte inferior do corpo). O sangue coletado no átrio direito é bombeado pela válvula tricúspide para o ventrículo direito. Do ventrículo direito, o sangue é bombeado através da válvula pulmonar para a artéria pulmonar. A artéria pulmonar leva o sangue aos pulmões, onde entra na circulação pulmonar, libera dióxido de carbono e capta oxigênio. O sangue oxigenado retorna dos pulmões pelas veias pulmonares (das quais existem quatro) e entra no átrio esquerdo do coração. Do átrio esquerdo, o sangue é bombeado através da válvula mitral para o ventrículo esquerdo. Do ventrículo esquerdo, o sangue é bombeado através da válvula aórtica para a aorta, que posteriormente se ramifica em artérias menores que transportam o sangue por todo o resto do corpo. Depois de passar pelos capilares e trocar substâncias com as células, o sangue retorna ao átrio direito pela veia cava superior e pela veia cava inferior, e o processo é reiniciado.

Ciclo cardíaco

O ciclo cardíaco refere-se a um único batimento cardíaco completo, que inclui uma iteração dos sons lub e dub ouvidos por meio de um estetoscópio. Durante o ciclo cardíaco, os átrios e os ventrículos funcionam de forma coordenada para que o sangue seja bombeado com eficiência para dentro e para fora do coração. O ciclo cardíaco inclui duas partes, chamadas diástole e sístole, que são ilustradas na Figura ( PageIndex {5} ).

  • No decorrer diástole, os átrios se contraem e bombeiam sangue para os ventrículos, enquanto os ventrículos relaxam e se enchem de sangue dos átrios.
  • No decorrer sístole, os átrios relaxam e coletam sangue dos pulmões e do corpo, enquanto os ventrículos se contraem e bombeiam sangue para fora do coração.

Estimulação Elétrica do Coração

A batida normal e rítmica do coração é chamada ritmo sinusal. É estabelecido pelo coração marca-passo células, que estão localizadas em uma área do coração chamada nó sinoatrial (Figura ( PageIndex {6} )). As células marcapasso criam sinais elétricos pelo movimento de eletrólitos (sódio, potássio e íons de cálcio) para dentro e para fora das células. Para cada ciclo cardíaco, um sinal elétrico viaja primeiro rapidamente do nó sinoatrial para os átrios direito e esquerdo para que eles se contraiam juntos. Em seguida, o sinal viaja para outro nó, chamado de nó atrioventricular (também mostrado na Figura ( PageIndex {6} )), e de lá para os ventrículos direito e esquerdo, que também se contraem juntos, apenas uma fração de segundo após os átrios contrato.

O ritmo sinusal normal do coração é influenciado pelo sistema nervoso autônomo por meio dos nervos simpático e parassimpático. Esses nervos surgem de dois centros cardiovasculares pareados na medula do tronco cerebral. Os nervos parassimpáticos agem para diminuir a frequência cardíaca e os nervos simpáticos agem para aumentar a frequência cardíaca. A entrada parassimpática normalmente predomina. Sem ele, as células marcadoras do coração gerariam uma freqüência cardíaca em repouso de cerca de 100 batimentos por minuto, em vez de uma freqüência cardíaca normal em repouso de cerca de 72 batimentos por minuto. Os centros cardiovasculares recebem informações de receptores de todo o corpo e agem por meio dos nervos simpáticos para aumentar a frequência cardíaca conforme necessário. Por exemplo, o aumento da atividade física é detectado por receptores nos músculos, articulações e tendões. Esses receptores enviam impulsos nervosos aos centros cardiovasculares, fazendo com que os nervos simpáticos aumentem a frequência cardíaca. Isso permite que mais sangue flua para os músculos.

Além do sistema nervoso autônomo, outros fatores também podem afetar a freqüência cardíaca. Por exemplo, os hormônios tireoidianos e adrenais, como a epinefrina, podem estimular o coração a bater mais rápido. A freqüência cardíaca também aumenta quando a pressão arterial cai ou o corpo está desidratado ou superaquecido. Por outro lado, o resfriamento do corpo e o relaxamento, entre outros fatores, podem contribuir para a diminuição da frequência cardíaca.

Matéria: Biologia Humana nas Notícias

Quando o coração de um paciente está muito doente ou danificado para sobreviver, um transplante de coração provavelmente será a única solução a longo prazo. O primeiro transplante de coração bem-sucedido foi realizado na África do Sul em 1967. Nas últimas duas décadas, nos Estados Unidos, cerca de 2.400 corações foram transplantados a cada ano. O problema é que há muito poucos corações disponíveis para transplante, e muitos pacientes morrem a cada ano esperando que um coração salvador esteja disponível.

Os corações para transplante devem ser usados ​​no prazo de quatro horas após a morte do doador. Além disso, os corações só podem vir de indivíduos com morte cerebral cujos corações são removidos enquanto ainda estão saudáveis. Em seguida, os corações são colocados no gelo dentro de caixas térmicas de piquenique para serem transportados para um recipiente à espera. A janela de quatro horas significa que engarrafamentos, mau tempo ou outros atrasos imprevistos geralmente resultam em um coração em condições menos do que ideais no momento em que chega ao seu destino. Infelizmente, não há como saber se o coração vai começar a funcionar novamente após o transplante até que seja realmente colocado no corpo do receptor. Em até 7% dos casos, um coração transplantado não funciona e deve ser removido.

Uma empresa de dispositivos médicos em Massachusetts chamada TransMedic foi destaque em muitas notícias quando desenvolveu o Sistema de Tratamento de Órgãos, comumente referido como "coração em uma caixa". O sistema adota uma nova abordagem para manter os corações doados até que sejam transplantados. A caixa é aquecida e contém um dispositivo que bombeia sangue oxigenado pelo coração enquanto é transportado para o receptor. Isso estende o tempo em até 12 horas para que o coração permaneça saudável e utilizável. Ele também permite que o coração seja monitorado para que seja mantido em ótimas condições enquanto estiver na rota. O resultado final, idealmente, é que o receptor obtém um coração mais saudável com menos chance de falha do novo órgão e menor risco de morte.

Em meados de 2016, o sistema heart-in-a-box já havia sido usado para vários transplantes de coração bem-sucedidos em outros países. Naquela época, o sistema também estava passando por testes clínicos nos Estados Unidos para avaliar sua eficácia na promoção de resultados positivos para os destinatários. Os desenvolvedores do heart-in-a-box prevêem que o sistema pode aumentar o número de corações de doadores utilizáveis ​​em até 30 por cento, aumentando muito o número de pacientes que são salvos da morte por insuficiência cardíaca.

Análise

  1. O que é o coração, onde está localizado e qual é sua função?
  2. Delineie a estrutura do coração.
  3. Descreva a circulação coronária.
  4. Resuma como o sangue flui para dentro, através e para fora do coração.
  5. Defina o ciclo cardíaco e identifique suas duas partes.
  6. Explique o que controla as batidas do coração.
  7. uma. Quais são os dois tipos de células do músculo cardíaco no miocárdio?

    b. Quais são as diferenças entre esses dois tipos de células?

  8. Compare cada uma das três camadas das paredes do coração (endocárdio, miocárdio e pericárdio) com a descrição que melhor corresponda a ela abaixo.

    uma. Protege o coração

    b. Cobre as válvulas do coração

    c. Responsável pelo batimento do coração

  9. O sangue que flui pela válvula mitral é oxigenado ou desoxigenado? Explique seu raciocínio.

  10. Verdadeiro ou falso. As artérias coronárias transportam sangue para o coração.

  11. Verdadeiro ou falso. Sístole é quando o coração está se contraindo, diástole é quando o coração está totalmente relaxado.

  12. Explique por que o sangue das veias cardíacas deságua no átrio direito do coração. Concentre-se na função em vez da anatomia em sua resposta.

Explore mais

Mais mulheres do que homens morrem de doenças cardíacas, mas a pesquisa cardíaca há muito tempo se concentra nos homens. Na palestra TED a seguir, o médico pioneiro C. Noel Bairey Merz compartilha o que sabemos e não sabemos sobre a saúde cardíaca das mulheres, incluindo os diferentes sintomas de ataque cardíaco que as mulheres experimentam e por que os médicos muitas vezes não os percebem.


17.3 Sequenciamento do genoma completo

Nesta seção, você explorará as seguintes questões:

Conexão para Cursos AP ®

As informações apresentadas na seção não estão no escopo do AP ®. No entanto, você pode estudar as informações da seção como material opcional ou ilustrativo.

Apoio ao Professor

Com técnicas mais antigas, a identificação de bactérias patogênicas é um processo demorado que pode levar dias ou semanas. Anteriormente, a identificação da bactéria da tuberculose pode levar até seis semanas. O desenvolvimento de microarrays de DNA permitiu aos laboratórios clínicos encurtar esse tempo para horas, com melhor especificidade de identificação. Isso forneceu aos médicos as informações de que precisam para que os pacientes recebam rapidamente a terapia antibiótica mais eficaz, proporcionando melhores cuidados e evitando que o agente infeccioso se espalhe para mais hospedeiros.

Embora tenha havido avanços significativos nas ciências médicas nos últimos anos, os médicos ainda estão confusos com algumas doenças e estão usando o sequenciamento do genoma completo para chegar ao fundo do problema. O sequenciamento do genoma completo é um processo que determina a sequência de DNA de um genoma inteiro. O sequenciamento do genoma completo é uma abordagem de força bruta para a solução de problemas quando há uma base genética no cerne de uma doença. Vários laboratórios agora fornecem serviços para sequenciar, analisar e interpretar genomas inteiros.

O sequenciamento de todo o exoma é uma alternativa de baixo custo para o sequenciamento do genoma completo. No sequenciamento de exoma, apenas as regiões produtoras de exon de codificação do DNA são sequenciadas. Em 2010, o sequenciamento de todo o exoma foi usado para salvar um menino cujos intestinos apresentavam múltiplos abscessos misteriosos. A criança passou por várias operações de cólon sem alívio. Finalmente, foi realizado o sequenciamento de todo o exoma, que revelou um defeito em uma via que controla a apoptose (morte celular programada). Um transplante de medula óssea foi usado para superar essa doença genética, levando à cura do menino. Ele foi a primeira pessoa a ser tratada com sucesso com base em um diagnóstico feito por sequenciamento de todo o exoma.

As Questões do Desafio da Prática de Ciências contêm questões de teste adicionais relacionadas ao material desta seção que o ajudarão a se preparar para o exame AP. Essas questões abordam os seguintes padrões:
[APLO 2.23] [APLO 3.5] [APLO 3.20] [APLO 3.21]

Estratégias usadas em projetos de sequenciamento

A técnica básica de sequenciamento usada em todos os projetos de sequenciamento modernos é o método de terminação de cadeia (também conhecido como método didesoxi), que foi desenvolvido por Fred Sanger na década de 1970. O método de terminação de cadeia envolve a replicação do DNA de um molde de fita simples com o uso de um primer e um desoxinucleotídeo regular (dNTP), que é um monômero ou uma unidade única de DNA. O primer e o dNTP são misturados com uma pequena proporção de didesoxinucleotídeos marcados com fluorescência (ddNTPs). Os ddNTPs são monômeros aos quais falta um grupo hidroxila (–OH) no local em que outro nucleotídeo geralmente se liga para formar uma cadeia (Figura 17.12). Cada ddNTP é rotulado com uma cor diferente de fluoróforo. Cada vez que um ddNTP é incorporado na fita complementar em crescimento, ele termina o processo de replicação do DNA, que resulta em várias fitas curtas de DNA replicado, cada uma terminada em um ponto diferente durante a replicação. Quando a mistura de reação é processada por eletroforese em gel após ser separada em fitas simples, as várias fitas de DNA recém-replicadas formam uma escada devido aos tamanhos diferentes. Como os ddNTPs são marcados com fluorescência, cada banda no gel reflete o tamanho da fita de DNA e o ddNTP que encerrou a reação. As diferentes cores dos ddNTPs marcados com fluoróforo ajudam a identificar o ddNTP incorporado naquela posição. A leitura do gel com base na cor de cada faixa da escada produz a sequência da fita do molde (Figura 17.13).

Estratégias iniciais: sequenciamento de espingarda e sequenciamento de extremidade par-sábio

No método de sequenciamento de espingarda, várias cópias de um fragmento de DNA são cortadas aleatoriamente em muitos pedaços menores (algo como o que acontece com um cartucho de espingarda quando disparado de uma espingarda). Todos os segmentos são então sequenciados usando o método de sequenciação em cadeia. Em seguida, com a ajuda de um computador, os fragmentos são analisados ​​para ver onde suas sequências se sobrepõem. Combinando sequências sobrepostas no final de cada fragmento, toda a sequência de DNA pode ser reformada. Uma sequência maior que é montada a partir de sequências mais curtas sobrepostas é chamada de contig. Como analogia, considere que alguém tem quatro cópias de uma fotografia de paisagem que você nunca viu antes e não sabe nada sobre como ela deveria aparecer. A pessoa então rasga cada fotografia com as mãos, de forma que pedaços de tamanhos diferentes estejam presentes em cada cópia. A pessoa então mistura todas as peças e pede que você reconstrua a fotografia. Em uma das peças menores, você vê uma montanha. Em uma parte maior, você vê que a mesma montanha está atrás de um lago. Um terceiro fragmento mostra apenas o lago, mas revela que há uma cabana na margem do lago. Portanto, ao observar as informações sobrepostas nesses três fragmentos, você sabe que a imagem contém uma montanha atrás de um lago que tem uma cabana em sua margem. Este é o princípio por trás da reconstrução de sequências inteiras de DNA usando o sequenciamento shotgun.

Originalmente, o sequenciamento shotgun analisava apenas uma extremidade de cada fragmento quanto a sobreposições. Isso foi suficiente para sequenciar pequenos genomas. No entanto, o desejo de sequenciar genomas maiores, como o de um humano, levou ao desenvolvimento do sequenciamento de espingarda de cano duplo, mais formalmente conhecido como sequenciamento de extremidade pareada. No sequenciamento de extremidade pareada, ambas as extremidades de cada fragmento são analisadas quanto à sobreposição. O sequenciamento em pares é, portanto, mais complicado do que o sequenciamento shotgun, mas é mais fácil reconstruir a sequência porque há mais informações disponíveis.

Sequenciamento de próxima geração

Desde 2005, as técnicas de sequenciamento automatizado usadas por laboratórios estão sob a égide do sequenciamento de última geração, que é um grupo de técnicas automatizadas usadas para sequenciamento rápido de DNA. Esses sequenciadores automatizados de baixo custo podem gerar sequências de centenas de milhares ou milhões de fragmentos curtos (25 a 500 pares de bases) no período de um dia. Esses sequenciadores usam software sofisticado para passar pelo complicado processo de colocar todos os fragmentos em ordem.

Evolution Connection

Comparando Sequências

Um alinhamento de sequência é um arranjo de proteínas, DNA ou RNA usado para identificar regiões de similaridade entre tipos de células ou espécies, o que pode indicar conservação de função ou estruturas. Os alinhamentos de sequência podem ser usados ​​para construir árvores filogenéticas. O seguinte website usa um programa de software chamado BLAST (ferramenta básica de pesquisa de alinhamento local).

Em “Basic Blast”, clique em “Nucleotide Blast”. Insira a seguinte sequência na caixa grande "sequência de consulta": ATTGCTTCGATTGCA. Abaixo da caixa, localize o campo "Espécies" e digite "humano" ou "Homo sapiens". Em seguida, clique em “BLAST” para comparar a sequência inserida com as sequências conhecidas do genoma humano. O resultado é que essa sequência ocorre em mais de cem lugares no genoma humano. Role para baixo do gráfico com as barras horizontais e você verá uma breve descrição de cada um dos resultados correspondentes. Escolha um dos hits no topo da lista e clique em "Gráficos". Isso o levará a uma página que mostra onde a sequência é encontrada em todo o genoma humano. Você pode mover o controle deslizante que se parece com uma bandeira verde para frente e para trás para visualizar as sequências imediatamente ao redor do gene selecionado. Você pode então retornar à sequência selecionada clicando no botão "ATG".

  1. A proteína bacteriana será mais semelhante à proteína humana do que a proteína de levedura.
  2. A proteína bacteriana será mais semelhante à proteína do fermento do que a proteína humana.
  3. A proteína do fermento será mais semelhante à proteína humana do que a proteína bacteriana.
  4. As proteínas da bactéria e da levedura compartilharão uma sequência semelhante, mas a proteína humana não estará relacionada a nenhuma delas.

Uso de sequências de genoma inteiro de organismos modelo

O primeiro genoma a ser completamente sequenciado foi o de um vírus bacteriano, o bacteriófago fx174 (5368 pares de bases), feito por Fred Sanger usando sequenciamento shotgun. Vários outros genomas de organela e virais foram posteriormente sequenciados. O primeiro organismo cujo genoma foi sequenciado foi a bactéria Haemophilus influenzae isso foi realizado por Craig Venter na década de 1980. Aproximadamente 74 laboratórios diferentes colaboraram no sequenciamento do genoma da levedura Saccharomyces cerevisiae, que começou em 1989 e foi concluído em 1996, porque era 60 vezes maior do que qualquer outro genoma sequenciado. Em 1997, as sequências do genoma de dois organismos modelo importantes estavam disponíveis: a bactéria Escherichia coli K12 e o fermento Saccharomyces cerevisiae. Genomas de outros organismos modelo, como o rato Mus musculus, a mosca da fruta Drosophila melanogaster, o nematóide Caenorhabditis. Eleganse humanos Homo sapiens agora são conhecidos. Muitas pesquisas básicas são realizadas em organismos modelo porque as informações podem ser aplicadas a organismos geneticamente semelhantes. Um organismo modelo é uma espécie que é estudada como modelo para compreender os processos biológicos em outras espécies representadas pelo organismo modelo. Ter genomas inteiros sequenciados ajuda nos esforços de pesquisa nesses organismos modelo. O processo de anexar informações biológicas às sequências de genes é chamado de anotação do genoma. A anotação de sequências de genes ajuda em experimentos básicos em biologia molecular, como a criação de primers de PCR e alvos de RNA.

Link para aprendizagem

Clique em cada etapa do sequenciamento do genoma neste site.

Reveja o método de sequenciamento Sanger conforme ilustrado. Faça um caso de como o sequenciamento profundo oferece uma melhoria no sequenciamento Sanger.

  1. O sequenciamento profundo permite o sequenciamento muito mais rápido de fitas curtas de DNA em comparação com o sequenciamento Sanger, que lê apenas sequências curtas de DNA em uma taxa lenta e evita os problemas de Sanger com o término e a separação da cadeia.
  2. A cobertura da sequência é maior no sequenciamento Sanger em comparação com o sequenciamento profundo.
  3. O sequenciamento Sanger é adequado quando há apenas uma diferença de nucleotídeo entre as cadeias, enquanto o sequenciamento profundo é adequado quando há mais de uma diferença de nucleotídeo entre as cadeias.
  4. O sequenciamento Sanger lê e sequencia um genoma várias vezes, enquanto o sequenciamento profundo lê com precisão as sequências de todo o genoma em uma única vez.

Usos de sequências genômicas

Os microarranjos de DNA são métodos usados ​​para detectar a expressão gênica por meio da análise de um array de fragmentos de DNA que são fixados em uma lâmina de vidro ou um chip de silício para identificar genes ativos e identificar sequências. Quase um milhão de anormalidades genotípicas podem ser descobertas usando microarrays, enquanto o sequenciamento do genoma completo pode fornecer informações sobre todos os seis bilhões de pares de bases no genoma humano. Embora o estudo das aplicações médicas do sequenciamento do genoma seja interessante, essa disciplina tende a se concentrar na função anormal do gene. O conhecimento de todo o genoma permitirá que doenças futuras e outros distúrbios genéticos sejam descobertos precocemente, o que permitirá que decisões mais informadas sejam tomadas sobre estilo de vida, medicamentos e filhos. A genômica ainda está em sua infância, embora algum dia possa se tornar rotina usar o sequenciamento do genoma completo para examinar todos os recém-nascidos para detectar anormalidades genéticas.

Além de doenças e medicamentos, a genômica pode contribuir para o desenvolvimento de novas enzimas que convertem biomassa em biocombustível, o que resulta em maior safra e produção de combustível e menor custo para o consumidor. Esse conhecimento deve permitir melhores métodos de controle sobre os micróbios que são usados ​​na produção de biocombustíveis. A genômica também pode melhorar os métodos usados ​​para monitorar o impacto de poluentes nos ecossistemas e ajudar a limpar os contaminantes ambientais. A genômica permitiu o desenvolvimento de agroquímicos e farmacêuticos que poderiam beneficiar a ciência médica e a agricultura.

Parece ótimo ter todo o conhecimento que podemos obter do sequenciamento de todo o genoma, no entanto, os humanos têm a responsabilidade de usar esse conhecimento com sabedoria. Do contrário, pode ser fácil fazer mau uso do poder de tal conhecimento, levando à discriminação com base na genética de uma pessoa, na engenharia genética humana e em outras questões éticas. Essas informações também podem levar a questões legais relacionadas à saúde e privacidade.


17.3 Sequenciamento do genoma completo

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

Embora tenha havido avanços significativos nas ciências médicas nos últimos anos, os médicos ainda estão confusos com algumas doenças e estão usando o sequenciamento do genoma completo para descobrir a raiz do problema. O sequenciamento do genoma completo é um processo que determina a sequência de DNA de um genoma inteiro. O sequenciamento do genoma completo é uma abordagem de força bruta para a solução de problemas quando há uma base genética no cerne de uma doença. Vários laboratórios agora fornecem serviços para sequenciar, analisar e interpretar genomas inteiros.

Por exemplo, o sequenciamento do exoma completo é uma alternativa de baixo custo ao sequenciamento do genoma completo. No sequenciamento de exoma, o médico sequencia apenas as regiões produtoras de exon que codificam o DNA. Em 2010, os médicos usaram o sequenciamento do exoma total para salvar um menino cujos intestinos apresentavam vários abcessos misteriosos. A criança passou por várias operações de cólon sem alívio. Finalmente, eles realizaram o sequenciamento do exoma total, que revelou um defeito em uma via que controla a apoptose (morte celular programada). Os médicos usaram um transplante de medula óssea para superar essa doença genética, levando à cura do menino. Ele foi a primeira pessoa a receber um tratamento bem-sucedido com base em um diagnóstico de sequenciamento de todo o exoma. Hoje, o sequenciamento do genoma humano está mais prontamente disponível e os resultados estão disponíveis em dois dias por cerca de US $ 1.000.

Estratégias usadas em projetos de sequenciamento

A técnica básica de sequenciamento usada em todos os projetos de sequenciamento modernos é o método de terminação de cadeia (também conhecido como método didesoxi), que Fred Sanger desenvolveu na década de 1970. O método de terminação de cadeia envolve a replicação do DNA de um molde de fita simples usando um primer e um desoxinucleotídeo regular (dNTP), que é um monômero, ou uma única unidade de DNA. O primer e o dNTP se misturam com uma pequena proporção de didesoxinucleotídeos marcados com fluorescência (ddNTPs). Os ddNTPs são monômeros aos quais falta um grupo hidroxila (–OH) no local em que outro nucleotídeo geralmente se liga para formar uma cadeia (Figura 17.13). Os cientistas rotulam cada ddNTP com uma cor diferente de fluoróforo. Cada vez que um ddNTP se incorpora na fita complementar em crescimento, ele termina o processo de replicação do DNA, que resulta em várias fitas curtas de DNA replicado, cada uma terminando em um ponto diferente durante a replicação. Quando a eletroforese em gel processa a mistura de reação após a separação em fitas simples, as várias fitas de DNA recém-replicadas formam uma escada devido aos tamanhos diferentes. Como os ddNTPs são marcados com fluorescência, cada banda no gel reflete o tamanho da fita de DNA e o ddNTP que encerrou a reação. As diferentes cores dos ddNTPs marcados com fluoróforo ajudam a identificar o ddNTP incorporado naquela posição. A leitura do gel com base na cor de cada banda na escada produz a sequência da fita modelo (Figura 17.14).

Estratégias iniciais: sequenciamento de espingarda e sequenciamento de extremidade par-sábio

No método de sequenciamento de espingarda, várias cópias de fragmentos de DNA cortados aleatoriamente em muitos pedaços menores (algo como o que acontece com um cartucho de espingarda quando disparado de uma espingarda). Todos os segmentos sequenciam usando o método de sequenciamento em cadeia. Então, com a ajuda do computador de sequência, os cientistas podem analisar os fragmentos para ver onde suas sequências se sobrepõem. Ao combinar sequências sobrepostas na extremidade de cada fragmento, os cientistas podem reformar toda a sequência de DNA. Uma sequência maior que é montada a partir de sequências mais curtas sobrepostas é chamada de contig. Como uma analogia, considere que alguém tem quatro cópias de uma fotografia de paisagem que você nunca viu antes e não sabe nada sobre como ela deveria aparecer. A pessoa então rasga cada fotografia com as mãos, de forma que pedaços de tamanhos diferentes estejam presentes em cada cópia. A pessoa então mistura todas as peças e pede que você reconstrua a fotografia. Em uma das peças menores, você vê uma montanha. Em uma parte maior, você vê que a mesma montanha está atrás de um lago. Um terceiro fragmento mostra apenas o lago, mas revela que há uma cabana na margem do lago. Portanto, ao observar as informações sobrepostas nesses três fragmentos, você sabe que a imagem contém uma montanha atrás de um lago que tem uma cabana em sua margem. Este é o princípio por trás da reconstrução de sequências inteiras de DNA usando o sequenciamento shotgun.

Originalmente, o sequenciamento shotgun analisava apenas uma extremidade de cada fragmento quanto a sobreposições. Isso foi suficiente para sequenciar pequenos genomas. No entanto, o desejo de sequenciar genomas maiores, como o de um ser humano, levou ao desenvolvimento do sequenciamento shotgun de cano duplo, ou sequenciamento par a par. No sequenciamento de extremidade pareada, os cientistas analisam a extremidade de cada fragmento quanto à sobreposição. O sequenciamento em pares é, portanto, mais complicado do que o sequenciamento shotgun, mas é mais fácil reconstruir a sequência porque há mais informações disponíveis.

Sequenciamento de próxima geração

Desde 2005, as técnicas de sequenciamento automatizado usadas por laboratórios estão sob a égide do sequenciamento de última geração, que é um grupo de técnicas automatizadas usadas para sequenciamento rápido de DNA. These automated low-cost sequencers can generate sequences of hundreds of thousands or millions of short fragments (25 to 500 base pairs) in the span of one day. These sequencers use sophisticated software to get through the cumbersome process of putting all the fragments in order.

Evolution Connection

Comparing Sequences

A sequence alignment is an arrangement of proteins, DNA, or RNA. Scientists use it to identify similar regions between cell types or species, which may indicate function or structure conservation. We can use sequence alignments to construct phylogenetic trees. The following website uses a software program called BLAST (basic local alignment search tool).

Under “Basic Blast,” click “Nucleotide Blast.” Input the following sequence into the large "query sequence" box: ATTGCTTCGATTGCA. Below the box, locate the "Species" field and type "human" or "Homo sapiens". Then click “BLAST” to compare the inputted sequence against the human genome’s known sequences. The result is that this sequence occurs in over a hundred places in the human genome. Scroll down below the graphic with the horizontal bars and you will see a short description of each of the matching hits. Pick one of the hits near the top of the list and click on "Graphics". This will bring you to a page that shows the sequence’s location within the entire human genome. You can move the slider that looks like a green flag back and forth to view the sequences immediately around the selected gene. You can then return to your selected sequence by clicking the "ATG" button.

Use of Whole-Genome Sequences of Model Organisms

British biochemist and Nobel Prize winner Fred Sanger used a bacterial virus, the bacteriophage fx174 (5368 base pairs), to completely sequence the first genome. Other scientists later sequenced several other organelle and viral genomes. American biotechnologist, biochemist, geneticist, and businessman Craig Venter sequenced the bacterium Haemophilus influenzae in the 1980s. Approximately 74 different laboratories collaborated on sequencing the genome of the yeast Saccharomyces cerevisiae, which began in 1989 and was completed in 1996, because it was 60 times bigger than any other genome sequencing. By 1997, the genome sequences of two important model organisms were available: the bacterium Escherichia coli K12 and the yeast Saccharomyces cerevisiae. We now know the genomes of other model organisms, such as the mouse Mus musculus, the fruit fly Drosophila melanogaster, the nematode Caenorhabditis. Elegans, and humans Homo sapiens. Researchers perform extensive basic research in model organisms because they can apply the information to genetically similar organisms. A model organism is a species that researchers use as a model to understand the biological processes in other species that the model organism represents. Having entire genomes sequenced helps with the research efforts in these model organisms. The process of attaching biological information to gene sequences is genome annotation . Annotating gene sequences helps with basic experiments in molecular biology, such as designing PCR primers and RNA targets.

Link para aprendizagem

Click through each genome sequencing step at this site.

Genome Sequence Uses

DNA microarrays are methods that scientists use to detect gene expression by analyzing different DNA fragments that are fixed to a glass slide or a silicon chip to identify active genes and sequences. We can discover almost one million genotypic abnormalities using microarrays whereas, whole-genome sequencing can provide information about all six billion base pairs in the human genome. Although studying genome sequencing medical applications is interesting, this discipline dwells on abnormal gene function. Knowing about the entire genome will allow researchers to discover future onset diseases and other genetic disorders early. This will allow for more informed decisions about lifestyle, medication, and having children. Genomics is still in its infancy, although someday it may become routine to use whole-genome sequencing to screen every newborn to detect genetic abnormalities.

In addition to disease and medicine, genomics can contribute to developing novel enzymes that convert biomass to biofuel, which results in higher crop and fuel production, and lower consumer cost. This knowledge should allow better methods of control over the microbes that industry uses to produce biofuels. Genomics could also improve monitoring methods that measure the impact of pollutants on ecosystems and help clean up environmental contaminants. Genomics has aided in developing agrochemicals and pharmaceuticals that could benefit medical science and agriculture.

It sounds great to have all the knowledge we can get from whole-genome sequencing however, humans have a responsibility to use this knowledge wisely. Otherwise, it could be easy to misuse the power of such knowledge, leading to discrimination based on a person's genetics, human genetic engineering, and other ethical concerns. This information could also lead to legal issues regarding health and privacy.


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17.3: Heart - Biology

For years, scientists have known about the relationship between depression and heart disease. At least a quarter of cardiac patients suffer with depression, and adults with depression often develop heart disease. What researchers now want to know is “why.” So far, they have unearthed a treasure trove of important clues, but a definitive explanation on the curious nature of this relationship has yet to emerge.

It is a puzzle: Is depression a causal risk factor for heart disease? Is it a warning sign because depressed people engage in behaviors that increase the risks for heart disease? Is depression just a secondary event, prompted by the trauma of major medical problems, such as heart surgery? Experts say the urgent need for answers is clear: According to the World Health Organization, 350 million people suffer from depression worldwide, and 17.3 million die of heart disease each year, making it the number one global cause of death.

The promising news, they say, is that new insights are emerging because of the data researchers continue to amass, scientific innovation, and heightened public awareness. It was in part because of better diagnostic tools and an increased recognition of the prevalence of depression that scientists could establish a connection between depression and heart disease in the first place.

“Thirty years of epidemiological data indicate that depression does predict the development of heart disease,” said Jesse C. Stewart, Ph.D., an associate professor of psychology in the School of Science at Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI).

Stewart noted that there is now “an impressive body of evidence” showing that, compared with people without depression, adults with a depressive disorder or symptoms have a 64 percent greater risk of developing coronary artery disease (CAD) and depressed CAD patients are 59 percent more likely to have a future adverse cardiovascular event, such as a heart attack or cardiac death.

But, does depression causa heart disease? Is it a risk factor on its own?

Many investigators recoil at the use of the word "cause" because almost all evidence connecting heart disease and depression comes from observational studies.

“Those who have elevated depressive symptoms are at increased risk for heart disease, and this association seems to be largely independent of the traditional risk markers for heart disease,” said Karina W. Davidson, Ph.D., professor at Columbia University Medical Center. Indeed, she said, the association between depression and heart disease is similar to the association of factors such as high cholesterol, hypertension, diabetes, smoking, and obesity and heart disease.

To establish a true cause-effect link between depression and heart disease, according to Stewart, scientists need evidence from randomized controlled trials showing that treating depression reduces the risk of future heart disease. In other words, what needs to be studied is whether treating depression prevents heart disease in the way treating high cholesterol and blood pressure does.

A 2014 paper by Stewart and his colleagues suggests that early treatment for depression, before the development of symptomatic cardiovascular disease, could decrease the risk of heart attacks and strokes by almost half. Now, with funding from the National Heart, Lung, and Blood Institute (NHLBI), Stewart is currently conducting the clinical trial he said would help answer this cause-effect question.

In the meantime, the existing evidence prompted the American Heart Association (AHA) to issue a statement in 2015 warning that teens with depression and bipolar disorder stand at increased risk for developing cardiovascular disease earlier in life, and urging doctors to actively monitor these patients and intervene to try to prevent its onset.

The prevalence of depression among cardiac patients ranges from 20 to 30 percent. “Even the lower limit of this ranges is more than double the prevalence of this treatable condition in the general population,” wrote Bruce L. Rollman, M.D. and Stewart in their 2014 study.

A recent study presented at the American College of Cardiology’s 66th Annual Scientific Session shows that patients are twice as likely to die if they develop depression after being diagnosed with heart disease. In fact, depression is the strongest predictor of death in the first decade after a heart disease diagnosis.

“We are confident that depression is an independent risk factor for cardiac morbidity and mortality in patients with established heart disease,” said Robert Carney, Ph.D., professor of psychiatry at Washington University School of Medicine. “However, depression is also associated with other risk factors, including smoking, so it can be difficult to disentangle its effects from those of other risk factors.”

In other words, cardiac patients with depression have worse outcomes, which translate to more deaths and repeated cardiovascular events. But how does depression have such an effect?

Researchers agree that while the pathways are not completely understood, there are many likely explanations. Some point to the biology of depression, such as autonomic nervous system dysfunction, elevated cortisol levels, and elevated markers of inflammation.

“There are also plausible behavioral explanations, such as poor adherence to diet, exercise, and medications, and a higher prevalence of smoking, that have been associated with depression with or without established heart disease,” said Ken Freedland, Ph.D., also from Washington University School of Medicine.

“We think that there are likely to be multiple pathways, and this has been one of the foci of our research over the years,” he said.


Pheromones

UMA pheromone is a chemical released by an animal that affects the behavior or physiology of animals of the same species. Pheromonal signals can have profound effects on animals that inhale them, but pheromones apparently are not consciously perceived in the same way as other odors. There are several different types of pheromones, which are released in urine or as glandular secretions. Certain pheromones are attractants to potential mates, others are repellants to potential competitors of the same sex, and still others play roles in mother-infant attachment. Some pheromones can also influence the timing of puberty, modify reproductive cycles, and even prevent embryonic implantation. While the roles of pheromones in many nonhuman species are important, pheromones have become less important in human behavior over evolutionary time compared to their importance to organisms with more limited behavioral repertoires.

The vomeronasal organ (VNO, or Jacobson’s organ) is a tubular, fluid-filled, olfactory organ present in many vertebrate animals that sits adjacent to the nasal cavity. It is very sensitive to pheromones and is connected to the nasal cavity by a duct. When molecules dissolve in the mucosa of the nasal cavity, they then enter the VNO where the pheromone molecules among them bind with specialized pheromone receptors. Upon exposure to pheromones from their own species or others, many animals, including cats, may display the flehmen response (shown in Figure 17.9), a curling of the upper lip that helps pheromone molecules enter the VNO.

Pheromonal signals are sent, not to the main olfactory bulb, but to a different neural structure that projects directly to the amygdala (recall that the amygdala is a brain center important in emotional reactions, such as fear). The pheromonal signal then continues to areas of the hypothalamus that are key to reproductive physiology and behavior. While some scientists assert that the VNO is apparently functionally vestigial in humans, even though there is a similar structure located near human nasal cavities, others are researching it as a possible functional system that may, for example, contribute to synchronization of menstrual cycles in women living in close proximity.

Figure 17.9.
The flehmen response in this tiger results in the curling of the upper lip and helps airborne pheromone molecules enter the vomeronasal organ. (credit: modification of work by “chadh”/Flickr)


Assista o vídeo: ANATOMIA DO CORAÇÃO - Fisiologia Cardíaca. Biologia com Samuel Cunha (Novembro 2021).